Konstruktion och karakterisering av externa Cavity diodlasrar för atomfysik

Engineering
 

Summary

Detta är en instruktions papper att styra byggandet och diagnostik av externa hålighet diodlasrar (ECDLs), inklusive komponentval och optisk justering, samt grunderna i frekvensreferens spektroskopi och laserlinjebreddmått för applikationer inom atomfysik.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

Hardman, K. S., Bennetts, S., Debs, J. E., Kuhn, C. C., McDonald, G. D., Robins, N. Construction and Characterization of External Cavity Diode Lasers for Atomic Physics. J. Vis. Exp. (86), e51184, doi:10.3791/51184 (2014).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Eftersom deras utveckling i slutet av 1980, billiga, har tillförlitliga externa hålighet diodlasrar (ECDLs) ersatt komplex och dyr traditionell färg och Titanium Sapphire lasrar som arbetshästen laser av atomfysiklabb 1,2. Deras mångsidighet och produktiv användning under atomfysik i tillämpningar såsom absorptionsspektroskopi och laser kylning 1,2 gör det nödvändigt för inkommande studenter att få en fast praktisk förståelse för dessa lasrar. Denna publikation bygger på banbrytande arbete av Wieman 3, uppdatering av komponenter, och ger en video tutorial. Installationen, frekvenslåsning och prestanda karakterisering av ett ECDL att beskrivas. Diskussion om komponentval och korrekt montering av både dioder och galler, de faktorer som påverkar val av läge i hålrummet, korrekt inriktning för optimal extern återkoppling, optik setup för grovt och fint frekvens känsliga mätningar, en kort översikt av laser locking tekniker och laserlinjebreddmätningar ingår.

Introduction

Att mäta och manipulera kvanttillstånd av atomerna är i centrum för atomfysik och kräver förmåga att ta itu med särskilda övergångar mellan atomära elektroniska stater. Till exempel anser rubidium, en typisk och mycket använt alkali atom. Här, är våglängden för ljus koppling marken och första exciterade elektroniska tillstånd ~ 780 nm (384 THz) och det exciterade tillståndet livstid på grund av spontan emission är ~ 26 nsek ge en absorption linjebredd på 6 MHz 4. Således är en ljuskälla med frekvensstabilitet på åtminstone en del i 108 erfordras för att på ett tillförlitligt sätt ta itu med denna övergång.

Innan utvecklingen av ECDLs, färgämneslasrar och Titanium Sapphire lasrar var normalt för atomfysik. Dessa är stora, dyra, komplicerade system som ger optisk förstärkning över en stor bandbredd och därmed kan anpassas för att överlappa en atomövergång. Potentialen att ersätta dessa vinst media med en billig, enkel diodlaser konstruerad with ett bandgap som matchar den önskade våglängden redovisades i början av 1980-talet 1,2. Enkelt, lätt att bygga konstruktioner som uppnår 100 kHz linjebredder var väl förstått och gemensam plats från början av 1990-talet 3,5,6. Många olika konfigurationer och konstruktioner har visats med olika fördelar och nackdelar. Förmodligen den vanligaste konfigurationerna är de Littrow 3,5,7,8 och Littman 9 konfigurationer. Diskussionen fokuserar på det enklaste, det Littrow konfigurationen visas i Figur 1A.

Ett antal avstämningsmekanismerna samtidigt används för att uppnå en hög precision vid laserfrekvensen. För det första är en diod som krävs med ett bandgap som producerar tillräcklig förstärkning vid den önskade våglängden på en möjlig driftstemperatur. Den typiska laserdiod kommer att ha förstärkningen över flera nanometer (THZ). För det andra är en reflekterande diffraktionsgitter vinkel avstämd för att ge optisk återkoppling i dioden på den önskadevåglängd. Beroende på gittret, dioden, använde de fokuserande lins och deras inriktning, kommer gittret väljer ett frekvensområde av typiskt 50 till 100 GHz. Lasern kommer att svänga vid en våglängd resonant med den externa laserkaviteten (mellan dioden bakre fasett och gallret). Tuning denna kavitet längd över en våglängd gör att lasern att avstämmas över ett fritt spektralområde (c / (2 L)) runt gittret förstärkningstoppen där c är ljushastigheten och L är kavitetens längd, typiskt 1 - 5 cm (FSR 3-15 GHz). När två kavitetsmoder är en liknande våglängd från toppen galler återkoppling våglängd lasern kan köra multimode. Som den oscillerande hålighet läget är inställd längre från förstärkningstoppen än dess angränsande läge laser kommer läget hop begränsar avstämningsområdet. Beteendet hos kavitetsmoder med avseende på gittrets läge kan ses i figur 3. Läget hop fri avstämningsområdet är en nyckelPrestandaMått för ett ECDL. Genom att samtidigt tuning gittret vinkel och kavitetslängden är det möjligt att kontinuerligt stämma över många fria spektralområden utan läge humle, vilket gör att lokalisera och låsa till spektrala särdrag mycket lättare 8. Elektronisk inställning av den optiska väglängden i hålrummet för låsning kan uppnås genom en kombination av tuning gallret vinkel / position med hjälp av en piezo ställdon (Figur 1A) (skanning bandbredd ~ 1 kHz) och tuning diodströmmen som främst modulerar brytnings index på dioden (scanning bandbredd ≥ 100 kHz). Användning av laserdioder i stället för anti-reflektion (AR) belagda förstärknings chips för förstärkningsmediet tillför den ytterligare komplikationen av tillsats laserdioden inre kavitet svar som kan ha en typisk fria spektralområdet 100-200 GHz. I detta fall är det håligheten måste vara temperatur avstämd för att matcha svaret från gittret. Med hjälp av en laserdiod snarare än en AR belagda vinst chip kommer att dramatiskt minska läge hop gratis Tuning intervall om inte det finns ett sätt att synkront tune diodströmmen eller temperatur. Slutligen, för att uppnå en linjebredd bättre än 100 kHz uppmärksamhet måste ägnas åt att eliminera andra bullerkällor. Detta kräver noggrann mekanisk konstruktion av fästen för att minimera akustiska vibrationer, mK temperaturnivå stabilisering, rms nuvarande stabilitet dioden vid ≤ 30 nA nivå och noggrann trimning av vinsten av alla lås slingor 10. Välja rätt elektronik för programmet är precis lika viktigt som laser och optik design. En lista över diod styrenheter och specifikationer återfinns i tabell 1.

När stabil lasring har åstadkommits, är nästa krav att låsa laserfrekvensen till en referens såsom en atomövergång, en optisk kavitet eller en annan laser. Detta tar bort effekterna av långsamma drivor såsom små temperaturvariationer, i huvudsak eliminera buller för frekvenser medi bandbredden av låsningsslingan. Det finns en myriad av låsnings tekniker som har utvecklats för att erhålla en felsignal, som var lämpad för en särskild referenssystemet. En felsignal för faslåsning två lasrar som kan erhållas genom blandning av de två lasrarna på en stråldelare. Pound-Drever hall 11 eller tilt-låsning 12 kan användas för att låsa till en hålighet. För att låsa till en atomär absorption linje DAVLL 13 eller mättad absorptionsspektroskopi 3,14 i kombination med strömmodule 10, Zeeman module 10, eller tilt-låsning 15 kan användas.

Låsningen av ett ECDL till en rubidium övergång med hjälp av Zeeman modulering av mättad absorption i en ånga cell kommer att beskrivas här. Om en låg intensitet strålen passerar genom en rubidium ånga cell vid rumstemperatur och frekvensen är avstämd i närheten av 780 nm atomövergång ett antal doppler breddat absorption funktioner ~ 500 MHz brettkommer att iakttas i stället för 6 MHz breda naturliga linjebredden (beräkningar för natur-och Dopplerlinjebredder finns i Foot 16). Om emellertid denna stråle retro reflekteras, kommer det andra passet har mindre absorption på resonans som atomer med en nolla longitudinell hastighet har redan delvis upphetsad av det första passet 17. Andra frekvenser kommer att absorberas av olika hastighets populationer på varje pass och därför absorptionen inte kommer vara mättad. På detta sätt kan en synbar överföringsfunktionen överlagd på Doppler breddat absorption vid övergångar med en bredd om den naturliga linjebredden kan erhållas. Detta ger en skarp absolut frekvensreferens att låsa till. Frekvensen av den atomära övergången kan moduleras med användning av Zeeman effekt med rastrering storleken hos ett magnetiskt fält i referenscellen. Ett lämpligt homogent magnetfält kan framställas med hjälp av en magnetkonfigurationen som visas i figur 5. Elektroniskt blandningsden modulerade vågformen med mättad absorption överföring alstrar en felsignal, som kan användas för att justera diodströmmen och integreras för att justera den piezo spänning. Sålunda kan laser låsas till övergången utan att modulera laserns frekvens.

Den linjebredden hos en ECDL mäts i allmänhet genom att blanda två frekvens låsta lasrar av samma typ på en stråldelare 18. Den svävningsfrekvens mellan lasrarna mäts sedan med användning av en snabb fotodiod och en RF-spektrumanalyserare. Den bullerspektrumet bortom låsningsslingbandbredden är sedan monteras på en Voigt (faltning av en Gauss och Lorentz) profil. Bullret från de olika lasrar lägga i kvadratur. I fallet med två likvärdiga lasrar detta ger en monterad linjebredd av √ (2) gånger den enda laserlinjebredds. Om en laser är tillgänglig med en känd linjebredd betydligt mindre än förväntat på grundval ECDL och det är inom inställningsområdet för ECDL, så som skulle kunna användas i stället. En annan metod som ofta används för att mäta linjebredden är fördröjd själv homodyn teknik 19,20 där del av strålen sänds längs en ​​optisk fördröjningsledning, såsom en fiber och blandades sedan på en stråldelare med lasern. Denna teknik förlitar sig på fördröjningen är längre än koherenslängden hos lasern under mätning. Detta fungerar bra för bullriga lasrar men för en 100 kHz linjebredd laser koherenslängden är ca 3 km, vilket börjar bli opraktiskt. Alternativt kan en atom-övergång i en mättad absorption cell eller en Fabry-Perot-kavitet användas för att tillhandahålla en frekvensreferens för laserlinjebredd-mätning. I detta system laserfrekvensen kommer att behöva sitta vid en linjär del av eter mättad absorption eller Fabry-Perot resonans i stället tillåts att skanna i frekvens. Genom mätning av signalbrus på en fotodiod och vetskap resonanslinjebredden kan frekvensbrus hittas. Den undre gränsen för den linewidth mätning begränsas då av lutningen av transmissions resonans.

Närvaron av högre ordning lasrande lägen kan kontrolleras genom att titta på intensitetsbrus vid frekvensen för det fria spektralområdet med användning av en RF-spektrumanalyserare eller genom användning av ett svep Fabry-Perot-eller en optisk spektrumanalysator med en upplösning bättre än den fria spektrala intervallet ECDL. Den grovavstämningsområde kan mätas genom att mäta strömmen som en funktion av våglängd (med användning av en wavemeter, monokromator eller optisk spektrumanalysator) medan avstämma lasern över sina gränser med hjälp av gittret. Läget hop fri avstämningsområde mäts i allmänhet med hjälp av en scanning Fabry-Perot kavitet där ett läge hop kan detekteras som ett diskontinuerligt hopp i frekvensen.

Protocol

Val av komponenter 1.

  1. Välj en diod vid lämplig våglängd för atomen av intresse. Det är viktigt att den valda dioden vara single-mode (sm och har tillräcklig kraft för programmet. En anti-reflexbehandlat diod är perfekt. Dessa dioder kommer inte lase utan tillsats av en extern kavitet och de är särskilt utformat för ECDL drift. De har avsevärt bättre prestanda, i synnerhet för tillämpningar där avsökning av våglängden hos lasern är viktig. Laserdioden som används här är upptagen i förteckningen över material).
    Såsom i MacAdam et al. Tre måste ECDL vara utformade för att tätt passa diod och en kollimerande lins. Mekanisk stabilitet och termisk kontakt är avgörande för en god drift av lasern. För att underlätta konstruktion, och minimal bearbetning, har framgången varit hade hjälp av en diodlaser Fäste med integrerad linsröret (List of Materials).
  2. Välj en lins för att kollimera dioden. Denär viktigt att den numeriska aperturen är jämförbar eller större än den numeriska aperturen hos dioden annars blir det stora förluster. De flesta dioder har en hög numerisk apertur (> 0,5) och kräver asfäriska linser, annars avvikelser kommer att resultera i mycket låg återkoppling effektivitet. Se till att objektivet är antireflexbelagda vid drift våglängd, väljer ett objektiv med lång brännvidd för att öka balkens storlek på gallret och en designvåglängd nära arbetsvåglängden för att minska aberration. Se Lista över material för det objektiv som används i det visade systemet.
  3. Välj lämplig extern galler för laserdioden frekvensområde och galler tuning armen central vinkel. Ljusets våglängd diffrakterat in den första ordern, Littrow konfiguration, ges av λ = 2 d sin (θ), där d är gitter radavstånd, är θ gallret infallsvinkel och λ denvåglängd 21 (Figur 1B). Det finns två huvudtyper av diffraktion trall, holografiska och styrde, och båda kan flammade eller inte. Beroende på vilken typ av gitter den avböjda strömmen kan variera avsevärt. Sträva efter ett holografiskt gitter med en diffraktionsverkningsgrad av mellan 20-30%. Se Lista över material för gitter som används i det visade systemet.
  4. Använd den enklaste designen hanterbar - komplexitet innebär ofta instabilitet. Det finns ett stort antal ECDL mönster, men det enklaste är Littrow 3,5,7,22. Läs tidningarna och besluta om en stor mode hop frigående (frekvensområdet över vilka dioden kan kontinuerligt stämma utan att plötsligt hoppa till en annan frekvens), en mycket smal linjebredd eller minskad pekar variation är av största vikt för tillämpningen. Skaffa så mycket information som möjligt innan ECDL design. Ofta gallret ECDL är mer än tillräcklig för tillämpningar inom atomfysik.
  5. Det är viktigt att inse att utförandet av en ECDL är starkast förankrat i den elektronik som driver diodströmmen och stabilisera temperaturen hos lasern. Utan en bra uppsättning av elektronik den mekaniska konstruktionen kommer under utföra. Inkluderat är en jämförelse av olika ström-och temperaturregulatorer i tabell 1. Ju lägre strömbrus, desto bättre lasern kommer att utföra 23.

2. Montering

  1. I detta papper utgångspunkten för ECDL församling kommer att vara en komplett ECDL mekaniskt system monterad på en termoelektrisk kylare (TEC) utan frekvens välja komponenter (dvs. galler och laserdiod).
  2. Börja med att placera laserdiod i respektive monteringshål och fäst den med hjälp av dess monteringsring. Var noga med att inte över vridmoment monteringsringen. Den ska sitta tätt men inte för hårt.
  3. Innan du ansluter laserdiod till det nuvarande utbudet, check dioden specifikationsblad för anoden, katoden och jordstiftet uppdrag. Detta varierar från diod till diod och sätta strömmen genom dioden bakåt kommer att förstöra den.
    1. Laserdioder är låg spänning apparater, normalt 5-10 V max, och man måste vara uppmärksam för att se till att ingen statisk släpps till dem. Det är bra att ha en jordningsband vid hantering av dioder och installera en skyddskrets (t.ex. figur 2) över laserdiod stift för att förhindra höga spänningar. Dioden kan och jordstiften bör vara permanent jordad och användningen av tunna trådar kan bidra till att minska kopplingen av mekaniska vibrationer.
  4. Ställ in högsta och lägsta temperaturer samt de maximala diod och TEC nuvarande gränser för diodansvarige enligt värdena i dioden blad. Om den lägsta arbetstemperaturen ligger under daggpunkten för labbet sedan använda en lägsta temperatur på ~ 2 ° C above daggpunkten. Detta kommer att undvika kondens.
  5. Dioden specifikationsblad har vanligtvis en våglängd kontra temperatur siffra vid en given diodström. Använd denna siffra som en referens för att initialt ställa in diodtemperatur (och ström) är anpassat till våglängden av intresse. Om en temperatur vs våglängd graf är inte tillgänglig justera den inställda temperaturen till rumstemperatur.
  6. Vrid temperaturstyrenheten på och låta temperaturen stabiliseras.
  7. Sätt PÅ dioden och vrid ström upp, så att den utgående strålen kan klart observeras med ett tv-kort. Använd en IR-kort för att se strålen.
  8. Sätt i asfärisk kollimerande linsen och kollimera laserdiod genom justering av avståndet mellan dioden och linsen. För att säkerställa god kollimering se till att strålen har en tydlig väg, helst> 3 m, och justera linsens position tills stråldiametern strax efter ECDL och i slutet av strålgången är desamma, var noga med att kontrollera att strålen is inte fokusera på något ställe längs banan.
  9. Kontrollera polarisationen från diodlasern är i det önskade planet för diffraktionsgittret (S eller P). I de flesta fall den polarisering av dioden är längs den korta axeln av den elliptiska strålen formen, men det är en god vana att ta polarisationen axel med hjälp av en polariserande stråldelare.
    1. Om strålens axel inte är i det önskade planet, lossa diodmonteringsringen och rotera dioden tills riktig orientering uppnås. Vissa ECDL konstruktioner låta detta ske med lasern på och ansluten till strömkällan och andra inte. Om de nuvarande försörjningstrådar måste avlägsnas för att rotera dioden, stäng av strömtillförseln på kontrollboxen och ta bort ledningarna. ECDL temperaturkontroll kan vara på under denna process. Kom ihåg att alltid bära en jordad rem vid hantering dioden.
    2. Om det var nödvändigt att placera om dioden upprepa föregående steg för att recollimate dioden.
  10. Den diffraktion plan gittret vanligen märkt av tillverkaren med en pil som är vinkelrät mot gitterlinjerna och i riktningen för den blazed reflektion. Dubbel kontrollera detta genom att observera reflektionen från en bredbandig ljuskälla, såsom en glödlampa, som en funktion av vinkeln.
    1. Om gallret hålls med pilen som pekar tillbaka mot betraktaren och ett brett band ljuskälla över huvudet, kommer det reflekterade ljuset ändrar färg som en funktion av galler vinkel.
    2. Montera gallret så att pilen pekar tillbaka mot dioden och därmed justera gallret vinkeln varierar våglängden reflekteras tillbaka in i dioden (fig. 1A och 1B).
  11. När det galler orientering har bekräftats lim gallret på ECDL tuning armen med hjälp av snabbhärdande lim som t.ex. Loctite.

3. Feedback Alignment

  1. Placera ett tittarkort anpassas till ECDL utgång varaam. Detta kommer att användas för att övervaka lasereffekt som justeringar görs till den pekande av den avböjda strålen. En effektmätare kan också användas, men är långsammare i sitt svar.
  2. Justera inställd ström på dioden styrbox till strax under tröskelström för reflekterande främre fasett dioder och 1/3 av maximal ström för AR belagda diod vinst marker. Reflekterande främre fasett dioder kommer att ha en tröskelström på sin specifikation eller datablad medan AR belagda förstärknings chips inte.
  3. Justera vinkeln på gallret armen både horisontellt och vertikalt, för att styra den spridda strålen tillbaka till dioden, vilket i praktiken gör en extern återkoppling hålighet. När strålen riktas in i den laserdiod kommer att finnas en betydande ökning av den utgångseffekt, observeras som en tydlig ökning eller ljusa flash på ett visningskort eller en dramatisk ökning av strömmen när den mäts med användning av en effektmätare eller fotodiod.
    1. Ett tv-kort är inte en mycket kvantitativt mått of kraft så det kan vara nödvändigt att stegvis sänka laserdiodströmmen och justera återkopplingsstråle till dess att ovanstående problem kan ses vid den lägsta möjliga ström.
    2. Justera kollimering linsfokus eller axiellt läge för att optimera fokus på diod aspekt kan ytterligare sänka tröskeln och öka uteffekten varefter det kommer att bli nödvändigt att optimerar om gallret vinkel horisontellt och vertikalt.

4. Inledande frekvensval

  1. För den initiala frekvensen inriktning av lasern en absolut mätning av våglängden med en noggrannhet på <1 nm och helst <0,1 nm är idealiskt. Denna mätning grov frekvens kommer att göra det mycket lättare att avstämma laserfrekvensen på en atomär övergång i ett senare steg. Det finns många alternativ, inklusive med hjälp av en wavemeter, en optisk spektrumanalysator, spektrometer, eller en monokromator med en kamera. Se till att en kalibrerad korrekt enhet används eller kontrollera sin calibration exempelvis med användning av en HeNe-laser. Alternativt kan justeringen av grovfrekvens vanligtvis åstadkommas genom att gå gittervinkeln och ström medan lasern är scanning tills en absorption eller fluorescens-signalen från en ånga referenscell kan ses.
    1. Generellt en sekundär stråle plockas bort från helljus, med hjälp av ett glas kil prisma eller λ / 2 retardationsskiva och polarisationsstrålsplittraren, kommer att användas som en ingång för wavemeter. Denna optik inställning ses i figur 1D. Se Lista över material för material som används i denna demonstration.
  2. Justera ECDL tills önskad våglängd erhålls. Dioden drivström, temperatur, rivning vinkel och extern kavitet längd kommer alla att påverka laserfrekvensen 24 (figur 3).
    1. Börja med att justera gallret vinkel, antingen för hand eller med hjälp av piezo. För det andra, justera diodströmmen.
    2. Om den önskade frequeNCY är att den blå av gittersvepområdet, bör diodtemperaturen sänkas och vice versa om den önskade våglängden är att den röda.

5. Fina Frekvens Justeringar och frekvens Låsning

  1. Inrätta mättad absorption spektroskopi på ECDL utgång med konfigurationen i figur 1F 3,14,17. Användningen av en optisk isolator omedelbart efter lasern är väsentligt (Figur 1C). Det är viktigt att undvika återreflektion in i lasern, vilket kan orsaka instabilitet. Mättat absorptionsspektroskopi med hjälp av en referenscell, som innehåller atomen av intresse är ett enkelt sätt att låsa en laser till en smal atomär övergång 25.
    1. Se till referenscellen är på en vinkel för att undvika tillbaka reflexer och att spegeln retro reflekterar strålen tillbaka genom ångan cellen med maximal överlappning. Den dubbla pass överförda effekten kan övervakas med hjälp av fotodiod som ECDL våglängd skannas.
  2. De flesta diod controllers kommer att ha en inbyggd skanningsfunktion som söker igenom våglängden genom att justera gallret piezo spänningen och därmed gallret vinkel och extern kavitet längd eller genom att modulera diodströmmen. Bredden, skanna offset och laser temperatur och ström justeras tills en absorption signal kan visas på en omfattning som är ansluten till fotodetektorn. När lasern är scanning över atom övergången bör det vara möjligt att se laserstrålens väg i ångan cell fluorescerar eller blinka med blotta ögat eller genom en IR-tittaren.
  3. Kraften per ytenhet i referensstrålen för mättad absorptionsspektroskopi måste vara vid eller över mättnadsnivån för den atomära övergången. Använd λ / 2 våg plattan innan den polariserande stråldelaren för att öka kraften till dess en klar absorption signal kan ses. Beräkningar av mättnadsnivåer kan hittas i foten 16.
  4. Med laserskanning över 780 nm Rb atomär övergång bör en bred Doppler breddat absorption signal ses, ~ 5 GHz bredd, med flera skarpa övergångar ~ 10 MHz brann i fot 16 (Figur 4). Att minimera den effekt som används för att generera den mättade absorption signalen är nödvändig för att minska ström breddning och producera en skarpare funktion för att låsa till.
  5. För att låsa ECDL frekvens, behövs en felsignal. Genom att placera spolarna runt referenscell som i fig 5 10 och oscillerande magnetfältet, är Zeeman nivåer och således frekvenserna hos övergångarna modulerad. I detta fall är strömmen som passerar genom de Zeeman spolarna är modulerad på omkring 250 kHz med en magnitud på ~ 1 G.
  6. Blanda absorptionen signalen från den mättade absorption fotodetektor med moduleringssignalen från funktionsgeneratorn. När utsignalen från biandaren visas på en omfattning det bör vara en felsignal siMilar till figur 4. Storleken på felsignalen kommer att bero på den relativa fasen mellan de två blandade signaler. Vrid λ / 4 stråldelaren innan ångan cell att justera fasen.
  7. Gradvis minska avsökning och justera förskjutningarna att centrera genomsökning över övergången av intresse med några andra övergångar som finns.
  8. En proportionell-integrerande-derivat (PID) krets (t.ex. se MacAdam et al. 3) kan sedan användas för att låsa ECDL våglängd med hjälp av felsignalen. PID-förstärkning bör minskas under den punkt där ringande observeras genom att leta efter förekomst av moduleringen i felsignalen (t.ex. med hjälp av en spektrumanalysator eller Fouriertransform av felsignalen spår).

6. Linjebredd Mätning

  1. För att uppnå en korrekt linjebredd-mätning är det nödvändigt att ha antingen en känd smal linjebredd källa (en annan laser med linewidth signifikant mindre än ECDL), två av samma ECDLs eller en fördröjningsledning lång jämfört med koherenslängd ECDL. Här två ECDLs kommer att störas för att mäta linjebredden. Alternativt kan det vara lättare att låsa till en resonans som produceras av en atom-övergång eller en Fabry-Perot-kaviteten och passning mot buller över bandbredden hos den låsande öglan.
  2. Lås de två lasrar för olika Hyperfine övergångar, helst runt 100 MHz offset. Detta kommer att minimera effekterna av elektroniskt brus.
  3. Läge, kraft och polarisering matcha de två strålarna och störa dem tillsammans med användning av en 50/50, nonpolarizing stråldelare. Rikta den resulterande strålen på en fotodetektor. Utsignalen på fotodetektorn bör vara en sinusvåg med en frekvens av två laserns frekvensförskjutning. Det kan vara nödvändigt för att dämpa eller defocus den resulterande strålen så att den inte skadas eller mätta fotodioden.
    1. Överlappningen av de två bankar balkar kommer att bestämma den frans fortsRast som visas på en omfattning under linjebredden mätningen. Om frans kontrasten är dålig, spendera ytterligare tid att förbättra läget matchning och överlappning av balkarna på stråldelaren och detektor. En bra metod är att överlappa de två strålarna med hjälp av två iris ", eller småhål, åtskilda av ett relativt stort avstånd, ~ 1 m.
  4. Det kommer att bli svårt att lösa frekvensvariationer på en omfattning. För bästa mätningen använda en spektrumanalysator, vilket ger en Voigt profil centrerad på takten frekvensen med en linjebredd Δ f, lika med faltade laserlinjebredden (Figur 6). Till en god approximation spåret kan passa till en Gauss-och linjebredden erhålls från passform. Den uppmätta buller eller linjebredden beror på förvärv eller integrationstiden, vilken kan ställas in genom att justera upplösningsbandbredd på spektrumanalysator. Av denna anledning är det viktigt att citera integrationstiden då citerar measured linjebredd.

Representative Results

Det finns fem huvudsakliga steg som ingår i anpassningen, låsningsfrekvens och karakterisera linjebredden för ECDL. Dessa är: att få feedback från rivning och använda denna för att ställa in den grova ECDL frekvensen mäts på en wavemeter, observera laser absorption i referenscellen, visar atom övergången med en upplösning runt den naturliga linjebredden i en mättad absorptionsspektroskopi setup, få en felsignal runt önskad övergång och låsning till det, och slutligen observera takten del av två lasrar och mäta laserlinjebredden. Steg ett är avklarad, ganska trivialt när våglängden som registreras på wavemeter motsvarar atom övergång av intresse. När du försöker att uppnå absorption i referenscellen, kan florescence ses längs strålgången i cellen med en IR-viewer när övergången är drabbade. Om ECDL skannar cellen blinkar. En mättad absorption signal kan vara svårt att upptäcka whe n att först rikta eftersom överföringsledningarna kan vara mycket liten i jämförelse med Doppler absorptionstopp. När toppar, som liknar dem som visas i figur 4, kan ses, är den mättade systemet absorption fungerar korrekt. Genom att justera fas-och scan-parametrar bör erhållas en felsignal, som liknar den som visas i figur 4. För att mäta ECDL linjebredden är det nödvändigt att få ett beat signal mellan två balkar. När strålarna blir mer och mer överlappade en sinusvåg kommer att börja visas, som kan ses på en räckvidd från en fotodetektor. Håll inriktnings tills kontrasten mellan noder och anti-noder är störst. När taktsignal leds sedan genom en elektronisk spektrumanalysator en signal som liknar figur 6 bör ses. Laserlinjebredden kan mätas från denna signal. Den kompletta optik konfiguration kan ses i figur 1.

</ Html"Figur 1" fo: innehåll-width = "5in" fo: src = "/ files/ftp_upload/51184/51184fig1highres.jpg" src = "/ files/ftp_upload/51184/51184fig1.jpg" />
.. Figur 1 Komplett optik setup är detta ett exempel på en komplett optik setup för ECDL-systemet diskuteras A:. Detta visar Littrow konfigurationen av ett ECDL. En procentandel, typiskt 20-30%, av den stråle som infaller på gittret diffrakteras tillbaka in i dioden. Diffraktionsvinkeln och reflektionsvinkeln är lika. Gittret är monterad på en trimsteg som använder en piezo att styra gittrets vinkel B:. Utgångsstrålen från laserdioden infaller på gittret på vinkeln θ med 0: e ordningens reflekteras och en a ordningens diffraktion som skickas tillbaka längs den infallande strålens väg. Våglängden för diffrakterat ljus ges av λ = 2 d sin (θ) i Littrow konfiguration C:. Position och orientering av den optiska ärolator att minska oönskade återkoppling till laserdioden D:. Utgångsstrålen från laser låda passerar genom en λ / 2 retardationsskiva och PBS och är anpassad till wavemeter. Kraften i de reflekterade och överförda strålarna kan justeras genom att vrida på retardationsskiva E:. Beam linje som används för experiment. Denna linje kommer att innehålla de flesta av laserns kraft F:. Passera en referensstråle på eller över mättnadsintensitet genom en PBS, λ / 4 retardationsskiva, referensgas cell, och retro reflekterar tillbaka den på PBS. Det är viktigt att de två strålarna är väl överlappas för att få ordentlig mättnadsspektroskopi. Den retardationsskiva kommer att se polariseringen av ljuset på retro reflekterade strålen kommer att roteras 90 ° från den infallande strålen gör det möjligt att gå ur motsatt hamnen i stråldelaren. Klicka här för att visa en större image.

Figur 2
Figur 2. Laserdiod skyddskrets. Exempel skyddskrets för laserdiodströmmen. R1 och C1 formulär en grundläggande RC-krets och kommer att filtrera bort högfrekvent brus. D 1 och D 2 är Schottky och zenerdioder respektive. Den Schottkydiod, som har en snabb responstid, är på plats för att skydda mot backspänningar, och zenerdiod, som har en långsammare svarstid, är utformad så att ström att passera om över laserdioder maximala driftspänning och därmed undvika skada på laserdioden. Typiska värden för de komponenter som kommer att vara R 1 = 1 Ω, C 1 = 1 mF, D 1 = 30 V, D 2 = 6 V. De värden som väljs för R1 och C1 kommer att begränsa den nuvarande moduleringsbandbredden hos dioden. Detta kan vara mindre änperfekt om en felsignal produceras via strömmodulering i stället för Zeeman moduleringen diskuteras.

Figur 3
. Figur 3 Konkurrerande lägen i ett ECDL Grön:.. Linjebredd av galler diffraktionsordning ≈ 50 GHz beroende på galler röd fast: Den inre hålrum läget av en laserdiod med en linjebredd ≈ 10 MHz och fria spektralområdet ≈ 80 GHz . Rött streck: Den inre hålrum av ett antireflexbehandlat diod. Dessa dioder kommer att ha en linjebredd i nm Blå:. Externa kavitetsmoder med en linjebredd på ≈ 500 kHz och en fri spektralområdet ≈ 5 GHz. Från en 3 cm lång yttre kavitet. Justera gallret vinkel kommer att flytta mitt i den gröna kurvan och si multaneously ändra den externa kavitetslängden i sin tur att flytta den blå kurvan också. Anpassning av diodströmmen och temperaturen kommer att skifta de röda kurvorna.

Figur 4

.. Figur 4 Mättad absorptionsspektroskopi och motsvarande felsignal För Rubidium 87 Lower Curve:. Mättade absorptionstoppar på mycket bredare Doppler absorptionstoppen bildas från Doppler gratis spektroskopi. Övre kurva: Fel signal för motsvarande mättade systemet absorption. Etiketterna ovan felsignalen motsvara den atomära övergången (F → F ').

jpg "/>

Zeeman Coil. Coil Figur 5. Lindas runt en rubidium ånga cellen i Zeeman modulation.

Figur 6
Figur 6. Laserlinjebredd. Signal förvärvats från en spektrumanalysator av takten not bildas av två liknande lasrar. Från figuren, har takten en frekvens på 206,24 MHz, och en linjebredd på 0,3 MHz med en integrationstid av 20 msek.

</ Tr>
Löpande kontroller Range Brus
Thor Labs:
LDC200CV 0-20 mA <1 iA (10 Hz -10 MHz)
LDC201CU 0-100 mA <0.2 iA (10 Hz -10 MHz)
LDC202C 0-200 mA <1,5 iA (10 Hz -1 MHz)
LDC205C 0-500 mA <3 iA (10 Hz -1 MHz)
Moglabs:
DLC-202 0-200 mA <300 pA / √ Hz
0-250 mA <300 pA / √ Hz
DLC-502 0-500 mA <300 pA / √ Hz
Stanford Research Systems:
LDC500 0-100 mA <0.9 iA RMS (10 Hz -1 MHz)
LDC501 0-500 mA <4.5 iA RMS (10 Hz -1 MHz)
Toptica:
DCC 110/100 0-100 mA 200 nA RMS (5 Hz-1 MHz)
DCC 110/500 0-500 mA 1 iA RMS (5 Hz-1 MHz)
Temperaturregulatorer
Thor Labs:
TED200C -45 Till 145 ° C ± 2 mK
Moglabs:
DLC-202 -40 Till 50 ° C ± 5 mK
DLC-252 -40 Till 50 ° C ± 5 mK
DLC-502 -40 Till 50 ° C ± 5 mK
Stanford Research Systems:
LDC500 -55 Till 150 ° C ± 2 mK
LDC501 -55 Till 150 ° C ± 2 mK
Toptica:
DTC-110 0-50 ° C ± 2 mK

Tabell 1. Diodström och temperaturregulatorer. Olika företags diod ström-och temperaturregulatorer med deras sortiment och bullernivåer.

Discussion

Denna publikation har visat hur man går från en demonterad ECDL genom anpassning och frekvenslåsning för att producera en mätning av laserlinjebredden. Den mekaniska konstruktionen och utformningen av elektronik såsom PID-servon, diod förare och temperaturregulatorer är alltför specialiserade som skall diskuteras här, men har utförligt diskuterats i refererade publikationer 1,3,5.

Även diod ECDL-talet har blivit en stapelvara i atomfysiklabb, de arter och övergångar som dessa anordningar kan nå är begränsad. Stora framsteg har gjorts i att bredda våglängdsområdet från diodbaserade lasrar dock idag många luckor kvar särskilt i UV. Kraft begränsningar av ECDL-system fortsätter att begränsa sina ansökningar. Bare single-mode-dioder varierar i kraft från μWatts till 100-tals Watt. Dessutom kan avsmalnande förstärkare sättas till en ECDL systemet öka enkelmods total lasereffektupp till Watt-nivå. Om single-mode krafter mycket större än en watt eller andra våglängder krävs alternativa laserarkitekturer krävs. Dessa inkluderar fiberlasrar 26, solid state laser 27 såsom TiSaph lasrar eller de kan förlita sig på icke-linjär frekvensomvandling processer 27 såsom Raman-lasrar, fyra våg blandning, summafrekvensgenerering, eller en optisk parametrisk oscillator.

Denna skrift är inriktad på en låsmekanism som är beroende av en atomånga cell. För många tillämpningar inom atomfysik ett enkelt glas ånga cell, som diskuteras här, inte kan vara tillgängliga, är fallet för arter som Yb sådan. Många andra tekniker för att erhålla ett referensprov med en mängd olika arter har visats såsom varma atomstrålar, gasurladdningslampor, buffert gasceller, jod-celler, och förstoftning celler.

Denna laser systemdesign är i sig begränsad till linjebredder på ≈ 30 kHz 28 och oftast närmare 100 kHz. Om applikationen kräver en smalare linjebredds andra stabiliseringsteknik eller alternativa laser design 26 krävs.

När du arbetar med optiska system, är renlighet av yttersta vikt. Det är god praxis när först introduceras till och hantering optik som handskar användas för att undvika misstag vidröra den optiska ytan. Om en optik är repad den inte skall användas i ett lasersystem. I de flesta fall kan rengöras optik med fingeravtryck eller damm med aceton eller tryckluft respektive. Varje brist i en optisk yta kan och kommer att införa förlust och eventuellt brus i systemet. Optik fästen bör fastställas till den optiska bänken hela tiden och bör vara ordentligt fastskruvad ner en gång på plats.

Vid injusteringen optik som waveplates och polariserande stråldelare, se till att ljuset faller in nära vinkelrätt mot den optiska ytan medan avoIding reflektioner tillbaka in i lasern. Eftersom infallsvinkeln avviker från 90 ° beteendet hos dessa optiska element blir längre och längre ifrån idealisk. För att minimera aberration och maximera numeriska bländar balkar ska alltid röra sig genom centrum av linser och vara normalt att linsen. I motsats härtill bör en ånga cell placeras i en liten vinkel till den infallande strålen för att undvika Etalon effekter. Av denna anledning många ånga celler tillverkas med icke-parallella slut fasetter.

De lasrar som används här är klass 3B. Även ströreflektioner har potential för ögonskador. Arbeta med laser av denna typ bör endast utföras av utbildad personal som känner till riskerna med laser. Laser skyddsglasögon bör användas vid alla tillfällen. Titta aldrig direkt i riktning mot en laser för optisk inriktning och särskilt se till att undvika att skapa farliga spegelreflektioner off optiska komponenter. Alltid positivt avsluta beam linjer USIng en balk dumpa.

Disclosures

Författarna har ingenting att lämna ut. Specifika produkt-och företags citat är för att endast förtydligande och är inte ett godkännande av författarna.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Laser Diode
(Rubidium, 780 nm)
Roithner ADL-78901TX Various wavelengths, powers, case sizes, and AR coatings are available (Thor Labs, Eagle Yard Photonics, Rothnier)
Diffraction Grating
(Rubidium, 780 nm)
Newport 05HG1800-500-1 Holographic or rullered
 (Optional blazing)
(Thor Labs, Newport)
Viewing Card Thor Labs VRC5 Infrared viewing card
Diode  Lens Thor Labs C330TME-B Coated for 780 nm
Glass Wedge Thor Labs PS814 10° wedge
1/2 Waveplate Thor Labs WPH10M-780 780 nm
1/4 Waveplate Thor Labs WPQ10M-780 780 nm
Rotation mounts Thor Labs RSP1C
PBS Thor Labs PBS252 780 nm
Isolator Thor Labs IO-5-780-HP
Vapor Cell Thor Labs GC25075-RB Rubidium 
Photo Detector Moglabs PDD-001-400-1100-λ
Scope Tektronix TDS1001B
Wavemeter Yokogawa AQ-6515A We use an optical spectrum analyzer but a cheaper wavemeter would also be sufficient.
Electronic spectrum analyzer Agilent E4411B
IR Viewer FJW Optical Systems Inc 84499A-5 Infrared viewer

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Wieman, C. E., Hollberg, L. Using diode lasers for Atomic physics. Rev. Sci. Instrum. 62, (1), 1-20 (1991).
  2. Camparo, J. C. The diode laser in atomic physics. Cont. Phys. 26, (5), 443-477 (1985).
  3. MacAdam, K. B., Steinbach, A., Wieman, C. A narrowband tunable diode laser system with grating feedback, and a saturated absorption spectrometer for Cs and Rb. Am. J. Phys. 60, 1098 (1992).
  4. Steck, D. A. Rubidium 87 D line data. Los Alamos National Laboratory. 1-29 (2001).
  5. Ricci, L., Weidemuller, M., Esslinger, T., Hemmerich, A., Zimmermann, C., Vuletic, V., Konig, W., Hansch, T. W. A compact grating-stabilized diode laser system for atomic physics. Opt. Commun. 117, 541-549 (1995).
  6. Zorabedian, P., Trutna, W. R. Jr Interference-filter-tuned, alignment-stabilized, semiconductor external-cavity laser. Opt. Lett. 13, 826-828 (1988).
  7. Hawthorn, C. J., Weber, K. P., Scholten, R. E. Littrow configuration tunable external cavity diode laser with fixed direction output beam. Rev. Sci. Inst. 72, (12), 4477-4479 (2001).
  8. Nilse, L., Davies, H. J., Adams, C. S. Synchronous tuning of extended cavity diode lasers: the case for an optimum pivot point. Appl. Opt. 38, (3), 548-553 (1999).
  9. Park, S. E., Kwon, T. Y., Shin, E., Lee, H. S. A Compact Extended-Cavity Diode Laser With a Littman Configuration. IEEE Trans. Inst. Meas. 52, (2), 280-283 (2003).
  10. Black, E. D. An introduction to Pound-Drever-Hall laser frequency stabilization. Am. J. Phys. 69, (1), 79-87 (2001).
  11. Shaddock, D. A., Gray, M. B., McClelland, D. E. Frequency locking a laser to an optical cavity by use of spatial mode interference. Opt. Lett. 24, 1499-1501 (1999).
  12. Corwin, K. L., Lu, Z. T., Hand, C. F., Epstein, R. J., Wieman, C. E. Frequency-stabilized diode laser with the Zeeman shift in an atomic vapor. Appl. Opt. 37, (15), 3295-3298 (1998).
  13. Schmidt, O., Knaak, K. -M., Mesche de Wynands, R. D. Cesium saturation spectroscopy revisited: How to reverse peaks and observe narrow resonances. Appl. Phys. B. 59, 167-178 (1994).
  14. Robins, N. P., Slagmolen, B. J. J., Shaddock, D. A., Close, J. D., Gray, M. B. Interferometric, modulation-free laser stabilization. Opt. Lett. 27, 1905-1907 (2002).
  15. Budker, D., Kimball, D. F., Demille, D. P. Atomic Phyisics. Oxford. (2004).
  16. Foot, C. J. Atomic Physics. Oxford. (2005).
  17. Haus, H. A. Electronic Noise and Qunatum Optical Measurements. Springer. (2000).
  18. Okoshi, T., Kikuchi, K., Nakayama, A. Novel method for high resolution measurement of laser output spectrum. Electronics Lett. 16, (16), 630-631 (1980).
  19. Ludvigsen, H., Tossavainen, M., Kaivola, M. Laser linewidth measurements using self-homodyne detection with short delay. Opt. Commun. 155, 180-186 (1998).
  20. Optics Hecht, E. 4th, Addison Wesley. (2002).
  21. Arnold, A. S., Wilson, J. S., Boshier, M. G. A simple extended-cavity diode laser. Rev. Sci. Instrum. 69, 1236 (1998).
  22. Loh, H., Lin, Y., Teper, I., Cetina, M., Simon, J., Thompson, J. K., Vuletic, V. Influence of grating parameters on the linewidths of external-cavity diode lasers. Appl. Opt. 45, (36), 9191-9197 (2006).
  23. Rao, G. N., Reddy, M. N., Hecht, E. Atomic hyperfine structure studies using temperature/current tuning of diode lasers: An undergraduate experiment. Am. J. Phys. 66, (8), 702-712 (1998).
  24. Sane, S. S., Bennetts, S., Debs, J. E., Kuhn, C. C. N., McDonald, G. D., Altin, P. A., Close, J. D., Robins, N. P. 11W narrow linewidth laser source at 780 nm for laser cooling and manipulation of Rubidium. Opt. Express. 20, 8915-8919 (2012).
  25. Koechner, W. Solid-State Laser Engineering. 5th edition, Springer. (1999).
  26. Saliba, S. D., Scholten, R. E. Linewidths below 100 kHz with externalcavity diode lasers. Appl. Opt. 48, (36), 6961-6966 (2009).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics